Les maux de dos touchent 50 a 70% de la population et les symptomes les plus frequents sont les lumbagos et les sciatiques. Ces signes cliniques peuvent atteindre jusqu'a 80% des travailleurs. Aux Etats-Unis, les discectomies, l'ablation d'un disque intervertebral, represented environ 300 000 interventions chirurgicales par an. Parmi les pathologies du rachis, 5 a 6% de la population presente une deformation de la colonne vertebrale :​ scoliose, spondylolisthesis ou hypercyphose entre autres. Dans les cas severes de telles deformations, une correction chirurgicale peut s'imposer. Des etudes recentes ont demontre que la position per operatoire du patient sur la table d'operation pouvait contribuer a faciliter 1'intervention, ameliorer la qualite de la correction chirurgicale et diminuer les risques de complications.

Ce projet de maitrise avait pour base deux precedents systemes de positionnement. D'une part, le DPF (Dynamic Positioning Frame) concu en 2003 a Montreal qui consiste a moduler les courbures scoliotiques a l'aide de coussins thoraciques ajustables. D'autre part, le « leg positioner » fabrique en 2005 a Atlanta qui permet de modifier la position des membres inferieurs. Ainsi, l'objectif global du projet decrit dans ce memoire consistait a developper une nouvelle generation de systemes de positionnement dynamique combinant ces deux appareils :​ le DPF et le «leg positioner ».

Les objectifs specifiques etaient:​ 1) la conception d'un prototype de positionnement dynamique pour les chirurgies du rachis (appele MFPF :​ Multi-Functional Positioning Frame) qui comprend un systeme de positionnement des jambes, un systeme de poussee du sternum, et de nombreux ajustements afin d'accommoder un maximum de patients et de pathologies rachidiennes. 2) revaluation de ce MFPF avec des volontaires sains et des patients atteints de pathologies de la colonne vertebrale qui necessitent ou pourraient necessiter une chirurgie. 3) de verifier les hypotheses suivantes :​

1) la variation de la position des membres inferieurs ou/et de la position du thorax modifie de facon significative les courbures sagittales du rachis. 2) Le MFPF permet un meilleur positionnement que celui obtenu avec les tables d'operations classiques. 3) Le MFPF respecte la cinematique naturelle du corps humain. 4) Le MFPF est securitaire au niveau des pressions exercees sur le corps, celles-ci devant etre inferieures ou egales a celles obtenus avec le cadre de Relton-Hall.

Dans le cadre du premier objectif, une maquette numerique pour des patients pediatriques a d'abord ete concue sur CATIA v5rl5, puis les pieces et assemblages ont ete fabriques dans plusieurs ateliers. Le prototype a ete assemble et utilise pour 1'evaluation experimentale.

Dans le cadre du deuxieme objectif, la methode experimentale suivante a ete appliquee. En premier lieu, des parametres morphologiques ont ete mesures :​ taille, masses, longueurs et circonferences de differents segments corporels. Puis, des capteurs optiques ont ete poses au niveau des articulations, leur position a ete enregistree durant l'experience par un systeme de cameras. Une matrice de pression a ete installee sur les coussins du MFPF. Ensuite, le sujet s'est installe sur le MFPF, et les mesures de pression ont ete relevees dans plusieurs positions du sujet au niveau du thorax, du bassin et des cuisses. Des radiographies laterales ont ete prises dans deux positions differentes pour les volontaires sains et les patients avec un spondylolisthesis. Pour les patients scoliotiques, une radiographie laterale et une postero-anterieure ont ete prises. A des fins de comparaison, le sujet est descendu et s'est installe sur le cadre de Relton-Hall ou les pressions ont ete enregistrees au niveau du thorax et du bassin. En dernier, le sujet a repondu a quelques questions sur le confort et l'ergonomie du MFPF.

Plusieurs resultats sont ressortis de ces experimentations:​

• Les pressions mesurees etaient plus faibles (maximum et moyenne) sur le MFPF que sur le cadre de Relton-Hall, de maniere globale mais aussi localement au niveau du thorax ou du bassin. Les surfaces de contact etaient les memes au niveau du thorax et plus petites au niveau du bassin pour le MFPF comparativement au Relton-Hall. Une etude preliminaire a prouve la repetabilite des mesures de pression.
• La cinematique du corps a suivi celle du systeme de positionnement mais le mouvement des jambes a moins d'amplitude (de -45° a +8°) que le systeme mecanique (de -55° a +20°). II en est de meme pour le thorax qui autorise naturellement une course en translation de 6 cm alors que le systeme mecanique produisait une translation de 15 cm.
• Plusieurs indices geometriques du rachis ont ete analyses tels la lordose, la cyphose, les angles de Cobb scoliotique, les indices des spondylolisthesis. Plusieurs conclusions ressortent. La position des jambes a un impact significatif sur la lordose du rachis lombaire. La position du thorax, leve par le systeme de poussee du sternum, a un impact significatif sur la cyphose thoracique. Chez les patients scoliotiques, une reduction des courbures frontales est produite lorsque le sujet est allonge sur la table comparativement a debout, mais la correction est moins importante que lorsque le meme sujet est allonge, anesthesie et le rachis expose sur le cadre de Relton-Hall. Chez les patients avec spondylolisthesis, une difference d'environ 25° s'observe pour les indices PT et SS entre les positions en flexion et en extension.
• Le temps d'installation et desinstallation des sujets est toujours inferieure a 5 minutes pour chacune des operations.
• Le confort est juge bon par chacune des personnes qui a participe aux essais au moins 20 minutes. Par contre, la plupart des sujets a juge inconfortable la position avec les jambes en extension.

Le MFPF permet plusieurs mouvements du corps qui ont un impact significatif sur les courbures laterales du rachis tout en restant securitaire au niveau des pressions de contact. Le MFPF permettrait aux chirurgiens de choisir la position de differents segments corporels dependant des courbures rachidiennes souhaitees. Le MFPF est ajustable et permet d'autres mouvements qui pourraient etre testes dans le cadre de la suite de ce projet. En effet, lors de la conception du prototype, des ajustements supplementaires ont ete inclus, tels :​ hauteur des coussins du bassin, hauteur et orientation des coussins thoraciques, hauteur et rotation du support de la tete. Des combinaisons de mouvements tels la modification de la position des jambes et l'ajustement de la hauteur du sternum, par exemple, pourraient aussi etre experimentes afin de connaitre leur impact.

En parallele a ce projet, une version pour sujets adultes a ete concue. La prochaine etape sera des tests avec ce prototype adulte afin de l'evaluer sur une plus large population et sur de nouvelles pathologies (hernies discales, hyper-cyphoses, maladies degeneratives du rachis). De plus, des comparaisons avec d'autres tables de chirargies pourraient etre faites avec la table Jackson, la table d'Andrews, ou le cadre de Wilson par exemple. Un projet commence au sein du laboratoire sur le design et la fabrication d'un prototype pour les chirurgies anterieures et/ou minimalement invasives. Ces chirurgies prennent de l'ampleur et necessite un systeme de positionnement lateral.

Ce projet d'etude du positionnement pre- et per-operatoire amene de nouvelles perspectives d'aide a la chirurgie. Ainsi, la creation et la validation d'un modele par elements finis du corps humain completent cette etude. Ce modele personnalise permet de simuler les mouvements des membres inferieurs et du tronc et de predire les courbures de la colonne vertebrale induites. La mise en commun des connaissances de l'informatique, de la mecanique et de la medecine permet de proposer de nouveaux outils medicaux, comme les systemes de positionnement dynamique, et ceci dans le but d'ameliorer les soins et le bien etre des patients.

Between 50 to 70 % of the population experience some sort of pain associated with the spine, the most frequent symptoms being lower back pain and a pinched sciatic nerve found in up to 80% of workers. In the USA, discetomies, the removal of an intervertebral disc, represent around 300 000 surgeries per year. More seriously, 5 to 6% of the population has a spinal deformity such as scoliosis, spondylolisthesis or hyper kyphosis, among others. In case of severe deformities, a corrective surgery must be performed. Recent studies have demonstrated that operative patient positioning on a surgical frame could be exploited in order to facilitate the intervention, improve the surgical results and decrease the risk of complications. This master's project was based on two previously developed surgical frames. The first, called the DPF (Dynamic Positioning Frame), was developed in 2003 in Montreal. It allows for the modulation of scoliotic curves in the coronal plane via adjustable thoracic cushions. The second, called the «leg positioner », was developed in 2005 in Atlanta. It allows for modulation of sagittal curves via positioning of the lower limbs. The main objective of this project, as described in this report, was to develop a new generation of dynamic positioning frame which combined these two previous systems.

The specific objectives are:​ 1) the conception of a prototype of the dynamic positioning system for spinal surgeries (called MFPF for Multi-Functional Positioning Frame), that includes a lower limb positioning system, a sternum lifting system and numerous adjustments in order to adapt to various patient physiologies and spinal pathologies. 2) The evaluation of the MFPF for both healthy volunteers and patients afflicted with a spinal pathology who are candidates for operative treatment. 3) The verification of the following hypothesis:​

1) The variation of lower limb position and/or sternum position can significantly modify the sagittal curves of the spine. 2) The MFPF allows an improved positioning relative to currently used surgical frames. 3) The MFPF respects natural human body kinematic. 4) The MFPF is safe with regards to interface pressures on the body.

In this project, a paediatric prototype was designed using CAD software (CATIA V5R15). Following this, the parts and assemblies were machined at various workshops. Finally, the prototype was built and used for the evaluation phase.

For the second objective, evaluation of the MFPF, the experimental protocol was the following:​ First, subject morphological and flexibility parameters were measured:​ height, weight, length and circumference of corporal segments. Then, optical captors were placed on the subject's lower limb articulations so that their positions could be recorded by a camera system during experimental displacement and a force sensing array (FSA) was installed on the MFPF cushions. Next, the subjects were installed on the MFPF, and interface pressure measurements were made for the thoracic, pelvic and thigh cushions. For the healthy volunteers and spondylolisthesis patients, radiographs were taken in two different positions while for AIS patients a lateral and a posteroanterior (PA) radiographs were taken in a single position. The subjects were removed from the MFPF and placed on the Relton-Hall frame. Interface pressure measurements were made for the thoracic and pelvic cushions. Finally, the subjects answered a questionnaire about MFPF comfort and ergonomics.

Several results arose from these experimentations:​

• The interface pressures measured on the MFPF (peak and average) were lower than on the Relton-Hall frame, both globally and also specifically for the thoracic and pelvic cushions. The interface contact area for the thoracic cushion was the same for both frames while for the pelvic cushion it was lower on the MFPF. A preliminary study has shown good repeatability of the pressure measurements.
• The patient body kinematics observed followed the motion of the surgical frame, however, the lower limbs had less of a range of motion (from 45° in flexion to 8° in extension) relative to the mechanical system (from 55° in flexion to 20° in extension). A similar situation was found for the sternum vertical displacer with a patient thoracic translation of 6 cm relative to that of the mechanical system reaching 15 cm.
• Different clinical indices were analysed including:​ lordosis, kyphosis, scoliotic Cobb angles, and several Spondylolisthesis indices. The conclusions that were drawn were:​ lower limb positioning has a significant impact on lumbar lordosis, sternum vertical displacement has a significant impact on thoracic kyphosis;​ a reduction of AIS Cobb angles arises when a patient is placed in the prone position on the MFPF and however, this correction is less important than under anaesthesia on Relton-Hall frame. Finally, a 25° change in both PT and SS was observed for spondylolisthesis patients when going form the extended to flexed lower limb position.
• Ergonomics, evaluated with patient installation and removal times (always less than 5 minutes), was judged to be good. Comfort, evaluated by each patient via questionnaire, was also judged to be good for awaked periods of 20 minutes.

The MFPF allows for different movements of the body which have a significantly impact on the sagittal spinal curves of the spine while maintaining safe interface pressure levels. The MFPF will allow surgeons to position their patients in a variety of ways in order to obtain their preferred intra-operative spinal geometry. The MFPF is adjustable and will allow additional movements which will be tested in the future such as:​ raising or lowering the thoracic cushions, raising or lowering the pelvic cushions, moving the head, moving the arms, as well as combinations of these movements that could be tested in the continuation of the project.

In parallel to this project an adult prototype was designed and built. The next step will be to do some tests using the adult prototype in order to evaluate the table's impact on a larger population with additional pathologies such as:​ herniated discs, hyper-kyphosis, etc. Moreover, a comparison with other currently available surgical tables such as the:​ Jackson, Andrews, and Wilson should be done. Another project has begun about the design and fabrication of a dynamic positioning system for anterior spinal surgeries. Minimally invasive surgeries are becoming more frequent and require a surgical frame allowing lateral patient positioning for the anterior approach. This project about pre- and intra- operative patient positioning brings new perspectives that can facilitate surgical interventions. The creation and validation of a finite element model of the body complements this study. This model, which allows simulation of the impact of lower limb and thoracic positioning on spinal geometry, can be used to both predict the impact of MFPF on a given patient and study novel and combined patient positioning parameters in the hope of optimization. The combined knowledge of computers, mechanics and medicine allow for the introduction of new medical tools, like the dynamic positioning frame, which will hopefully lead to improved patient treatment and healthcare provision.